DIAGRAMA DE

EQUILÍBRIO FERRO

CARBONO

Engenharia e Ciência dos Materiais I

Profa.Dra. Lauralice Canale

Duas fases em equilíbrio

(a) óleo flutuando em água

(b) emulsão de água-óleo.

Ambos possuem as

mesmas fases mas (a)

possui uma microestrutura

diferente de (b)

Uma fase pode ser definida como uma porção homogênea de um sistema que possui

características físicas e químicas uniformes.Se mais de uma fase estiver presente em

um sistema, cada fase terá suas próprias propriedades individuais , e existirá uma

fronteira separando as fases, da qual haverá uma mudança descontínua e abrupta

nas características físicas e / ou químicas

DIAGRAMA DE FASES

FASE

EMBRIÕES DA

FASE SÓLIDA

LÍQUIDO

Figura 4.17. Formação de um material policristalino:

(a) Presença de embriões;

(b) Embriões transformam-se em núcleos;

(c) Crescimento dos núcleos;

(d) Núcleos dão origem aos grãos cristalinos;

(e) Encontro dos grãos cristalinos com seus vizinhos e

(f) Contornos dos grãos cristalinos.

Na etapa de nucleação, os núcleos surgem de

forma aleatória, cada um com orientação

cristalográfica própria, porém, em um mesmo

núcleo, seus átomos têm a mesma orientação

cristalográfica e assim se define tal região

como grão cristalino.

Na fase seguinte à nucleação, denominada de

crescimento, esses núcleos crescem e entram em

contato com seus núcleos vizinhos, formando

nesses pontos de contato uma região conhecida

como “contorno de grão”.

Devidos ao caráter tridimensional da estrutura

atômica, o contato dos vários grãos com diferentes

orientações gera superfícies de contornos de grão.

Esses embriões, com a evolução da transformação,

são transformados em núcleos da nova fase,

como mostra a figura 4.17

•De todos os sistemas de ligas binárias, o que é possivelmente o mais

importante é aquele formado pelo ferro e o carbono. Tanto os aços como os

ferros fundidos, que são os principais materiais estruturais em toda e qualquer

cultura tecnologicamente avançada são essencialmente ligas ferro-carbono.

LIGAS FERRO-CARBONO

•As ligas com até

2,0% de carbono são

chamadas aços e

acima deste teor,

ferros fundidos.

•Durante o processo

de solidificação dos

aços, é possível

verificar no aço o

aparecimento de

microconstituintes

como ferrita,

cementita, perlita e

austenita

AÇO

FERROFUNDIDO

•O ferro puro à temperatura ambiente, se encontra em uma forma estável

conhecida como ferrita, ou ferro α.Possui uma estrutura cristalina CCC, é

dúctil e pouco resistente quando comparada a outros constituintes devido à

sua estrutura cristalina.A ferrita experimenta uma transformação polimórfica

para austenita, com estrutura cristalina CFC, ou ferro γ, à temperatura de

912º C. Essa austenita persiste até uma temperatura de 1394º C, temperatura

em que a austenita CFC reverte novamente para uma fase com estrutura

CCC, conhecida por ferrita δ, a qual finalmente se funde a uma temperatura

de 1538º C.

LIGAS FERRO-CARBONO

FERRITA AUSTENITA

CEMENTITA

•Forma-se quando o limite de solubilidade do carbono é

ultrapassado (6,7% de C)

•É dura e frágil

•Cristaliza no sistema ortorrômbico (com 12 átomos de Fe

e 4 de C por célula unitária)

•É um composto intermetálico metaestável, embora a

velocidade de decomposição em ferro e C seja muito

lenta

•Essa microestrutura formada nos aços

eutetóides abaixo da temperatura do

eutetóide composta por camadas alternadas

de lamelas de ferrita e cementita é conhecida

por perlita, pois quando vista ao microscópio

possui uma aparência que lembra

madrepérola

PERLITA

Uma liga de composição eutetóide, à medida que é resfriada dentro da

região da fase γ, digamos a 900º C e se movendo para baixo ao longo

de uma linha vertical. Inicialmente, a liga é composta pela fase

austenita, tendo uma composição de 0,77% de C

MICROESTRUTURAS DAS LIGAS FERRO-

CARBONO (AÇOS EUTETÓIDES)

Á medida que a liga é

resfriada, não ocorrerão

alterações até que a

temperatura do eutetóide

(727º C) seja atingida. Ao

cruzar essa temperatura a

austenita se transforma em

uma estrutura composta

por camadas alternadas ou

lamelas compostas por

ferrita e cementita que se

formam simultaneamente

durante a transformação

PERLITA

LIGAS HIPOEUTETÓIDES

•Composições à esquerda do eutetóide, entre 0,025 e 0,77 %de C são conhecidas como ligas hipoeutetóides

•A aproximadamente 1000º C, a microestrutura consistirá inteiramente

em grãos da fase γ, .Ao resfriar até uma temperatura de 800º C e que se

encontra dentro da região α + γ, essas duas fases coexistirão . A maioria

das pequenas partículas α se formará ao longo dos contornos originais

dos grãos de γ. Enquanto se resfria uma liga através da região α + γ , a

austenita vai tornando-se ligeiramente mais rica em carbono.

Continuando o resfriamento, porém ainda na região α + γ, uma

proporção maior da fase α será produzida como está mostrado na

microestrutura esquemática. Neste ponto a fase α conterá 0,025% de C

e a fase γ terá a composição do eutetóide

•À medida que a temperatura é abaixada para abaixo da temperatura do

eutetóide, toda a fase γ se transformará em perlita. Não existirá qualquer

alteração na fase α produzida antes da temperatura do eutetóide e

estará presente como uma fase matriz contínua ao redor das colônias de

perlita

LIGAS HIPOEUTETÓIDES

LIGAS HIPOEUTETÓIDES

•A ferrita estará presente tanto na perlita como na fase que se formou

enquanto se resfriava antes da temperatura do eutetóide. A ferrita que

está presente na perlita é chamada ferrita eutetóide e a ferrita que se

formou antes da temperatura do eutetóide é chamada ferrita

proeutetóide.

•As regiões brancas correspondem à ferrita proeutetóide. Para a

perlita, o espaçamento entre as camadas α e Fe3C varia de grão para

grão; uma parte da perlita parece escura, pois as muitas camadas

com pequeno espaçamento não estão resolvidas e definidas naampliação da fotomicrografia abaixo.

Ferrita Perlita

•Ligas com composições acima do eutetóide, entre 0,77% e

2,14% de C são chamadas ligas hipereutetóides

•Em aproximadamente 1000º C somente a fase γ está

presente; a microestrutura aparecerá em forma de grãos da

fase γ. Com o resfriamento para dentro da fase γ + Fe3C, a

fase cementita começará a se formar ao longo dos

contornos de grãos iniciais de da fase γ, de maneira similar

que ocorre para a fase α nas ligas hipoeutetóides.. À

medida que a temperatura é alterada a composição da fase

austenita vai se aproximando à do eutetóide. Quando a

temperatura é reduzida até a temperatura do eutetóide,

toda a austenita restante com a composição do eutetóide se

transforma em perlita

LIGAS HIPEREUTETÓIDES

LIGAS HIPEREUTETÓIDES

•A cementita formada antes do eutetóide é chamada

cementita proeutetóide e a microestrutura das ligas

hipereutetóides resultam em perlita + cementita

proeutetóide

•Na fotomicrografia de um aço hipereutetóide a cementita

proeutetóide aparece clara e nos contornos de grãos.

LIGAS HIPEREUTETÓIDES

Microstructure of annealed 1040 carbon steel (0.40% C – 0.68% Mn – 0.12% Si) revealing ferrite and pearlite. Originals are at 1000X.

4% Picral 2% Nital

4% Picral 2% Nital

Microstructure of hot-rolled Fe – 0.68% C – 0.84% Mn – 0.33% Si revealing a nearly fully pearlitic structure. Originals at 1000X.

Coarse pearlitic structure in isothermally annealed (780 °C, 1436 °F – 1 h, isothermally transformed) 1080 steel (Fe – 0.8% C –

0.75% Mn) etched with 4% picral. All of the lamellae are resolvable. Original at 1000X.

Microstructure of as-rolled Fe – 1% C binary alloy tint etched with Beraha’s sodium molybdate reagent to color cementite. The

arrow points of proeutectoid cementite that precipitated on a prior-austenite grain boundary before the eutectoid reaction

(austenite forms ferrite and cementite in the form of lamellar pearlite). Magnification bar is 10 µm long.

ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

•As adições de elementos de ligas (Cr, Ni, Ti, etc.) trazem alterações no

diagrama de fases binário para o sistema ferro-cementita. Uma das

importantes alterações é o deslocamento da posição eutetóide em

relação à temperatura e à concentração de carbono. Esses efeitos são

ilustrados nas figuras a seguir:

Além do deslocamento do ponto eutetóide os elementos de liga

provocam mais alguns efeitos:

• Resistência à tração: a maioria dos elementos adicionados

provocam endurecimento por solução sólida, ocasionando, com

isto, aumento da resistência à tração.

• Variação na temperatura de transformação: alguns elementos

tendem a deslocar as temperaturas de transformação, atuando

no sentido de aumentar o campo austenítico (elementos

austenitizantes ou gamagênicos) ou restringindo-o (elementos

ferritizantes ou alfa gênicos) e desta maneira estabilizando a

ferrita. Entre os elementos gamagênicos estão o Ni, C, Mn,N e ,

entre os alfagênicos o Cr, W,V,Al,Nb, etc.

ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS

• Influência no crescimento do grão: o crescimento do

grão austenítico durante o tratamento térmico é um

efeito indesejado. Felizmente o crescimento de grão é

mais lento na presença de alguns elementos como, por

exemplo, o Nb, o V e o Ni. Estes elementos são

chamados “refinadores de grão” e são adicionados no

aço, muitas vezes, com esta finalidade.

•Formação de carbonetos: alguns elementos quando adicionados

aos aços, formam carbonetos muito estáveis os quais geralmente

são mais duros que a cementita. Por isso esses elementos elevam

a dureza do aço e são utilizados geralmente em aços ferramenta de

qualidade superior. Entre os elementos estão o Cr, Mo, W, V, Nb e

Ti.

• Melhoria na temperabilidade: à exceção do Co todos os

elementos tendem a reduzir a velocidade crítica de resfriamento

(mínima velocidade para se obter uma estrutura inteiramente

martensítica).Isto é indicado pelo deslocamento das curvas TTT

para a direita.

• Melhoria na resistência à corrosão: adições de cromo da ordem

de 13% proporcionam a formação de um filme óxido denso e

aderente à superfície do aço protegendo-o efetivamente contra

a corrosão.

ELEMENTOS DE LIGA NOS AÇOS